opv陽極表面修飾技術

OPV陽極表面修飾技術

研究表明，由于OPV陽極的費米能級與有機層的費米能級不匹配，它們之間有很高的勢壘高度，因此空穴注入效率較低，為了提高空穴的注入效率，陽極必須采用高功函數的材料，例如半透明金屬（如Au）、透明導電聚合物（如聚苯胺，PAN）、半導體金屬氧化物（如SnO2、In2O3、CdO、ZnO、Sb2O3、PbO、Au+Ag/SiO2）、ITO（氧化銦/錫Indium

tin

oxide）等。對陽極的修飾主要是提高其功函數，使其表面平整、平滑以擴大電極與有機層的接觸面積，從而實現降低空穴注入勢壘、提高注入效率的目的。1.ITO陽極修飾因為ITO具有高可見光透過率、良導電性、良基片黏附性、高功函數等特點，所以有機太陽能電池器件一般都采用ITO作為陽極。ITO的功函數依賴其表面的形態(tài)結構，為了克服ITO表面的結構缺餡，往往對其進行改性處理。改進方法主要有機械拋光處理、退火處理、在ITO與有機物間插入一層絕緣緩沖層、離子束濺射、在表面覆蓋一層薄金屬膜、優(yōu)化ITO制備條件等。現在普遍采用在ITO與有機層間插入緩沖層PEDOT:PSS，同ITO共同作為空穴收集極。該物質是一種摻雜的導電聚合物，具有良好的光電穩(wěn)定性、透光率以及窄的能隙，由于PEDOT的功函數大于ITO的功函數，所以在結構為ITO/PEDOT:PSS/POPT/A1的器件中，PEDOT:PSS的存在比單純的ITO/POPT界面更有利于載流子的收集，實驗結果也證明前者的電流密度要大于后者。但是PEDOT:PSS材料性質不穩(wěn)定，易于與ITO發(fā)生界面反應，導致器件性能的衰減。Shrotriya等人嘗試用新材料V2O5和MoO3替代上述修飾層，并使用原子顯微鏡AFM觀察被修飾后的ITO表面形貌，圖像表明表面變得更加平滑、平整。通過原子顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現，納米金（Au）層與PEDOT:PSS層相比，表面更加平整，導電性更好，所以用它來修飾ITO后，它的功函數會顯著提高（約5.1

eV），這就有效降低了空穴注入勢壘，同時發(fā)現器件的壽命也得到了延長。

Kim認為采用單分子自組裝技術在陽極表面生長單分子層可以改變陽極的表面能并改善有機層表面形態(tài)缺陷，2007年，他在陽極ITO表面生長一層單分子層CF3，最后器件經過退火處理，實驗證明這不僅優(yōu)化了器件的結構，而且顯著提高空穴注入陽極的能力。2.新型電極材料由于地球上In元素不僅稀少，而且危害環(huán)境和人類的健康，所以有必要尋求新的陽極材料來替代ITO材料，這樣就可獲得成本較低而性能優(yōu)良的器件。近年來，一些人嘗試用ZnO來取代ITO，這種材料彌補了ITO材料的不足之處，但它的導電能力較差，通過摻雜Ⅲ族元素（如Ba、Al、Ga、In）后，ZnO膜的透明度和導電性都有所改善。例如選用電極材料ZnO:Al取代ITO，同時用納米金層加以修飾，結果發(fā)現電池的并聯電阻增加，串聯電阻減小，壽命延長，同時η也提高了一個數量級。大量實驗證實ZnO:Al層具有收集空穴和電子的雙重能力，同時還可以充當減反射層的角色，因此有人在陰陽兩極均采用ZnO:Al材料來實現改善器件性能的目的。ITO除了價格昂貴、危害環(huán)境外，我們也發(fā)現這種導電玻璃機械性能差，易破碎，不穩(wěn)定，但如果選用單壁碳納米管替代ITO作為有機光電池的空穴收集極，就可以克服上述缺陷，而且它還具有高電導率和透光率的優(yōu)勢。2006年，Lagemaat等人采用旋涂法制備碳納米管陽極層，但最終得到的器件性能不是特別理想，因此需要進一步改進。Topinka等人采用絲網印刷技術在襯底上生長網狀單壁碳納米管，最終所得到的器件性能可與ITO/plastic所制備的相當，η可達2.5%。這種薄膜材料的優(yōu)點在于表面平滑，柔韌性較好，具有較寬的光譜吸收范圍，從紫外、可見延伸至遠紅外區(qū)都具有很高的透光性，還可實現大面積制造等。3.反型倒置電池中電極修飾

近年來人們開始構造新的電池結構即反型倒置模型，即將傳統(tǒng)電池的陰陽電極材料進行對換，發(fā)現能量轉換效率都有所提高，但同時也需要對電極進行修飾。例如制備結構為ITO/Cs2CO3/P3HT:PCBM/V2O5/Al或者Au的器件時，分別用10nm的V2O5修飾陽極Al，1nm的Cs2CO3修飾陰極ITO，結果顯示太陽能電池的三個性能參數都有所提高，而在傳統(tǒng)電池中短路電流JSC恰恰相反。2009年，Chen報道了另一種器件結構，使用金屬氧化物材料MoO3修飾柵狀Al陽極，同時在上層蒸鍍一層ITO薄膜，結構如圖2所示，這樣可以減小器件的串聯電阻，這種器件具有良好的柔韌性和穩(wěn)定性，同時也克服了低功函數金屬易氧化不穩(wěn)定的缺陷。另外，我們還可以用雙層MoO3修飾陽極，例如MoO3/Ag/MoO3電極，內層的MoO3層可提高空穴注入能力，而外層MoO3不僅降低了器件的串聯電阻，而且提高了陽極的透過率，因此器件的性能得到了改善。在反型倒置電池中，作為陽極的材料往往反射率很高，不能對太陽光有效地吸收，為了解決這一問題，Meiss采用蒸鍍覆蓋層的辦法來彌補陽極材料反射率高的缺陷，使用Alq3修飾Al/Ag電極，使得η提高了0.37%，這是因為Alq3層可以調節(jié)內部光場分布以滿足對太陽光